CN110434315A - 钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钢铜双金属缸体熔铸技术领域，特别涉及钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括钢基体熔铸表面处理、预热、阶段性加热、变速冷却、辅助结晶步骤，特别是在预热前采用盖帽装置对放置铜合金的铜水池处进行保护，使得钢基体远盖帽装置端和近盖帽装置端形成温度梯度状态，本发明提高了结合面剪切强度，解决了双金属结合脱铜的问题和结合面气孔、夹渣、疏松等；铜层质量得到保证，铜层致密度高，铅颗粒分布均匀，没有铅颗粒的聚集；解决钢基体金相晶粒粗大问题；提高生产效率，降低生产成本，产品合格率达到99％。
Description
技术领域
本发明涉及钢铜双金属缸体熔铸技术领域，特别涉及钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法。
背景技术
铜具有优异的延展性、减摩性、导电和导热性能，钢与铜及铜合金的复合构建因在性能上优势互补而具有良好的应用前景；层状金属复合材料是利用材料复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属在界面实现冶金结合的新型复合材料；并且缸体双金属结合面的结合强度(即剪切强度)高的要求尤为重要，结合面不得出现气孔、缩松、夹渣等铸造缺陷。
目前，传统的钢铜双金属缸体熔铸,由于没有采取措施使钢基体形成温度梯度和实现变速冷却等，铜层和结合面容易产生气孔、夹渣、疏松等缺陷；结合面剪切强度和铜层致密度不高、铅颗粒分布不均匀、钢基体晶粒粗大等。又如文献《铜/钢双金属复合材料的制备及其界面研究》(张太正)、《铜/钢双金属复合制备工艺技术研究现状》(刘越等人)均对界面结合进行研究，但效果仍不理想。因此亟待寻找一种低成本、质量优的方法。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括钢基体熔铸表面处理、预热、阶段性加热、变速冷却、辅助结晶步骤，特别是在预热前采用盖帽装置对放置铜合金的铜水池处进行保护，使得钢基体远盖帽装置端和近盖帽装置端形成温度梯度状态。
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以氮气为保护气氛进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)阶段性加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内相应区域，以氮气为保护气氛进行阶段性加热；
(5)变速冷却。
本发明的所述盖帽装置能够使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端形成温度梯度20-100℃。
所述氮气纯度≥99.999％。
所述阶段性加热分为三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min。
所述变速冷却分为快速冷却、中速冷却、慢速冷却、空冷阶段。
所述变速冷却采用以下任一方式：
a、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送到冷却区装置内通液氮进行冷却5-10min后，空冷至常温。
b、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置喷水或通气进行冷却5-10min后，空冷至常温；
c、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置上喷冷却液进行冷却5-10min后，空冷至常温；
d、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置上进行冷却10-15min后，空冷至常温；
e、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置喷水进行冷却5-10min后，空冷至常温；
f、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
所述冷却过程中可协同铜结晶辅助技术。
所述结晶辅助可采用以下任一方式或组合方式：旋转、振动、电磁搅拌。
有益效果：
在双金属结合熔铸过程中，采用盖帽装置对设有铜水池的钢基体端进行保护，具有保温和防氧化作用，并且使得钢基体在加热过程中形成阶梯式温度分布，以及结合变速冷却，不仅实现了双金属冶金充分结合，大幅提高了结合面剪切强度，大于或等于铜的剪切强度，解决了双金属结合脱铜的问题；还使得铜层质量得到充分保证，结合面无气孔、夹渣、疏松等缺陷，铜层致密度高，铅颗粒分布均匀，有效提高了铜层摩擦副性能；改善钢基体金相；提高生产效率，降低生产成本，产品合格率达到99％。
经金相检测观察：从图2可看出铜层表面不存在砂孔、疏松等，铜层距结合面2mm范围内不存在气孔、夹杂等缺陷，铅呈点状、球块状分布；从图1可看出组织是珠光体和铁素体，晶粒度＞8.5级”。
附图说明
图1：钢铜双金属缸体中钢组织的金相组织图(左图100X，右图500X)；
图2：钢铜双金属缸体中铜组织的金相组织图(左图100X、腐蚀前，右图500X腐蚀后)。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置喷水进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例2
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置喷冷却液进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例3
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置进行冷却10-15min后，空冷至常温。
实施例4
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置通液氮进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例5
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例6
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置通水、通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例7
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区旋转装置喷水进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例8
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区振动装置喷冷却液进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例9
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区电磁搅拌装置喷冷却液进行冷却5-10min后，空冷至常温。
实施例10
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区旋转装置喷水、通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
对比例1
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行加热；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至炉外冷却区，放置在旋转工装上通水、通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
对比例2
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置，使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度为20-100℃；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区旋转装置上喷水、通气进行冷却至常温。
对比例3
钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护气进行预热，预热温度为900-950℃，保温时间30-60min；
(4)加热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内加热区，以纯度≥99.999％的氮气为保护器进行三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min；
(5)变速冷却：保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区旋转装置喷水、通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
试验例1
按照YS/T 485-2005烧结双金属材料剪切强度的测定方法，将双金属试样的钢基体部分装入剪切试验夹具内、铜合金烧结层(复层)位于试验夹具端面上，给钢基体施加载荷，铜合金烧结层(复层)受到一个相反的力，从而使双金属结合面受到剪切力的作用，使铜合金烧结层(复层)产生位移，直至与钢基体脱离，根据载荷大小和受力面积，计算出剪切强度。
表1
应用例1
采用实施例3的方法进行生产，统计2018年全年产品质量情况，如表2所示
表2
| 序号 | 产品类型 | 生产数量 | 报废数量 | 合格率 |
| 1 | 整体 | 31888 | 177 | 99.44％ |
| 2 | 端面 | 66856 | 654 | 99.02％ |
Claims (9)
1.钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括钢基体熔铸表面处理、预热、阶段性加热、变速冷却、辅助结晶步骤，其特征在于，在预热前采用盖帽装置对放置铜合金的铜水池处进行保护，加热阶段使得钢基体远盖帽装置端的温度高于近盖帽装置端；在冷却阶段使得钢基体远盖帽装置端的温度低于近盖帽装置端，形成温度梯度状态。
2.如权利要求1所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)钢基体熔铸表面处理：对钢基体熔铸表面进行清洁，再用金属活化剂进行涂覆；
(2)将铜合金放置在钢基体熔铸设置的铜水池处，然后加装盖帽装置；
(3)预热：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内预热区，以氮气为保护气氛进行预热，预热温度为800-950℃，保温时间30-60min；
(4)阶段性加热及保温：将钢基体、铜合金输送到熔铸炉内相应区域，以氮气为保护气氛进行阶段性加热、保温；
(5)变速冷却。
3.如权利要求1或2所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，所述盖帽装置能够使钢基体远盖帽装置端温度比近盖帽装置端温度梯度20-100℃。
4.如权利要求2所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，所述氮气纯度≥99.999％。
5.如权利要求1或2所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，所述阶段性加热分为三阶段加热；第一阶段加热温度为900-1050℃，保温时间30-60min；第二阶段加热温度为1050-1150℃，保温时间30-60min；第三阶段加热温度为1050-1120℃，保温时间30-60min。
6.如权利要求1或2所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，通过不同的冷却介质或组合实现所述变速冷却分为快速冷却、中速冷却、慢速冷却等冷却方式。
7.如权利要求1或2或6所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，所述变速冷却采用以下任一方式：
a、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送到冷却区装置内通液氮进行冷却5-10min后，空冷至常温。
b、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置喷水或通气进行冷却5-10min后，空冷至常温；
c、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置上喷冷却液进行冷却5-10min后，空冷至常温；
d、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置上进行冷却10-15min后，空冷至常温；
e、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置喷水进行冷却5-10min后，空冷至常温；
f、保温结束后，将钢基体、熔化后的铜合金输送至冷却区装置通气进行冷却5-10min后，空冷至常温。
8.如权利要求1或2所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，所述冷却过程中可协同铜结晶辅助技术。
9.如权利要求1或2所述钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，其特征在于，所述结晶辅助可采用以下任一方式或组合方式：旋转、振动、电磁搅拌。
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